2013年10月4日 星期五

飛機的ABS

飛機的ABS
    在這個車器時代裡,相信大家即使沒開過高級房車大概也會在各種廣告上聽過ABS的大名吧;透過以秒計價的媒體廣告教育,我們可能對ABS最直接的印象就是汽車高速轉彎(或是諸如避開站在路中間的福特大老闆的廣告畫面)時不甩尾打滑,至於其運作原理甚至三個英文字兒是什麼意思,大概就不甚了了了。今兒個就來談談這個話題。
煞車運動學  輪型車輛(包括滾行中的飛機)藉著輪子對地轉動時的反作用力運動,煞車就是為達成降低這個運動慣性所做的能量轉換(一般是轉換成熱能)手段,白話點的說法就是降低車速啦雖說在這種定義下諸如用阻力傘的 F-5、氣動力減速階段的落地飛機都算在煞車,但這都不是我們今天要討論的主題,本文要談的著重於飛機在高速高慣量的條件下使用類似於汽車鼓式煞車時需要些什麼跟汽車ABS不完全相同的東東以保護減速中飛機的安全;有幸看到本po文的讀者更可一石二鳥,由本文回過頭來瞭解汽車ABS的操作機制與原理。
無論碟式或鼓式煞車方式都是用摩擦力大的元件如來令片者去住轉動中的輪子的某部以藉著動件靜件相咬的過程減低輪子滾轉速度,而增加多點滑動的成份使車輪對地摩擦變大,從而由摩擦生熱抵消掉車輛的動能。然而,下面會介紹到的,產生完全滑動的煞車設計機構並不意味著便能獲得最大的摩擦減速效果,而且還隱藏著危機! ABS便是為因應這潛在危險並企圖獲致更佳的煞車效果而設計;所謂ABS,乃Antilock Braking System三字字頭縮寫,即為防鎖死煞車系統的意思。
使輪子傾向於滑動的狀態即俗稱的打滑或鎖死,它的具體涵意我想藉由一點點的物理概念來說明:物體滑動摩擦沒有方向性,它僅只隨著既有的慣性運動。於是,高速車輛重踩煞車時若車輛本身帶著點側向動量(例如福特廣告中閃避大老闆的動作),而車輪又在煞車量大而完全沒有滾動的條件下,則輪與地的關係便變成上述的滑動狀態,這時不受控制的甩尾打轉便發生了,此時判生判死端看車子重量和重心的高低前後了。ABS就是為了要保有有效的煞車減速效果而又能防止車輛進入太多的、不受控制的滑動狀態而設計出來的。我們可看著附圖一對應剛介紹的滑動觀念來瞭解ABS設計的基本企圖,圖中摩擦係數的大小我們可以將之類比為減速效果的好壞,而橫座標01之間代表滾動與滑動各佔多少百分比,滑動佔得愈多表示上面提到的失控現象愈明顯。
從圖中最右邊的完全滑動點觀察可修正一般你我直覺上以為滑動摩擦力較大的印象,最大的摩擦效果其實發生在0.2左右而非1.0的位置。所有ABS的裝置設計都是希望將重踩煞車(這代表你此時希望車子有最大的減速效果)時的摩擦係數維持在斜線的區域內,即最大的平均摩擦係數區間內。ABS的運作方式都一樣,即在煞車制動力太大(就是所謂輪胎趨於轉不動時)時提供超過人類反應能力的密集但短暫的釋壓命令,使駕駛人下達的煞車指令和ABS反煞車指令配成一兼顧可控制性及最佳減速效果的整體煞車結果,所謂的釋壓是指釋放制動煞車的液壓壓力,後者與煞車制動力是成正比的。ABS的好壞主要就在那些密集短暫的釋壓命令的控制邏輯的優劣上,每次釋壓多少、釋壓期間長短,對輪胎及車重的包容性等都有影響。
落地後減速滑行的飛機先天條件比諸一般車輛並不是很好,第一,重心一定不低,第二,速度都很快,第三,只露三點。但還好機場跑道直又長又有專人守望相助,跑道頭又有攔截網、救火隊之類的公共建設,盡力在後天上保障大飛鳥最危險的減速過程。然而即使如此,沒有”ABS”的飛機仍比車子更不能應付突發的意外狀態,對道面也更挑剔。例如半濕半滑的道面對F-5可能就比較危險,以前F-5聯隊的機場關閉的時間可能因此而較長。基於飛行安全、飛機本身的價值及出勤能力的考量,現代高級一點的戰機如IDF都加裝了飛機用的”ABS”以同時保有最佳煞車效能及方向可控性。
一架典型戰機的防滑系統  嚴格說來,說一架典型的現代戰機裝的是ABS,還真有點辱沒它了,戰機的防滑煞車系統的功能何只於此! ABS系統功能只是它四大功能之中的正常防滑控制而已,戰機這類的剎車控制屬於回饋控制,類同於一般ABS的控制流程,它接收來自左右主輪的輪速訊號,於進入防滑控制盒內的邏輯電路後(電路可以將速度微分成減速度再對應出適當的釋壓命令)輸出即時適量的減壓訊號至煞車控制盒,後者加成來自飛行員煞車踏板的訊號後指揮液壓閥制動煞車(見附圖二例)

戰機防滑系統的第二個功能提供飛機著陸保護。像IDF未著陸前,防滑系統會維持主輪煞車液壓完全釋放的狀態,如此則即便飛行員誤踩煞車踏板也不致制動煞車。各位讀者可能會沒想到落地前誤踩煞車其實對於一架高達150節上下觸地的飛機是極危險的,原因是由於空中輪子沒有任何負荷,飛行員即便輕踩都可以驅動過量的液壓將輪子煞死,落地時會怎樣各位可想想看兩塊才厚幾寸的橡皮往時速150浬的砂輪機上抹的情景,鐵定一秒內煞爆!由此可知防滑系統著陸保護功能對飛行安全的意義了。
防滑系統的第三個功能叫防鎖死控制” ,聽來有點像ABS的譯名,但它卻在另一種常發生的落地場景下默默守護著飛機;戰機主輪觸地後著陸保護機制會自動取消,而在此時有任一輪速低於某種速度(可以把它想成是一懸空受風自由滾動的輪速,則該輪的煞車力將被無條件釋放至其觸地為止,目的也是防止飛機於傾斜姿態落地時飛行員踩到尚未觸地的主輪煞車而造成煞爆危險。這個功能也提供在半濕半滑的跑道環境下單輪瞬間煞車過量的保護,這點大家可想像一個這樣的跑道情景:某跑道沿線一陣乾一陣溼的,此時兩邊輪胎接地的摩擦係數差異時大時小,且有時很可能會達到所謂打水飄兒的效應,輪胎抓不住地而打滑” ,若此時煞車量維持通過乾跑道時的用量便又可能造成煞爆的危險,更遑論兩邊減速不平均造成的偏出跑道的危險了。高速通過這種摩擦力變化不一的跑道飛行員兩邊踩踏板的調整反應不一定能來得及,防鎖死控制可提供這種環境下飛機輪胎的安全。
最後一種防滑保護功能說來有點吊詭,也有點繞舌:它是用來保護飛機在原來保護它的防滑系統突然失去保護作用時產生保護飛機作用。怎麼說呢?再陪小心過日子的活人都不免有噎著的時候,何況是在震動、高熱、高速轉動等惡劣環境默默執行任務的死機器?所以當系統察覺到明明兩個輪子應該有類似的輪速但兩個輪速感測器卻給它太過不同的答案時,或自我反省發現自己怠忽職守,持續要求煞車洩壓太久時,這個時候(又一段繞舌的句子開始了)邏輯電路為了要讓這一已不邏輯的電路迴路停止繼續輸出不合邏輯的指令,而自動由另一組邏輯電路接管。簡言之,一現代戰機的防滑控制系並不會因它自測發現故障就棄飛機和飛行員而不顧,因為沒人知道當故障發生時飛行員正要對煞車系統作什麼事,或許他完全信任防滑功能而漫無忌憚地大腳痛踩煞車也說不定,系統故障就關機豈不陷飛機於立即危機當中?所以系統接替上原防滑邏輯的方法是讓原來的回饋控制路徑變成開放路徑,它不再理會輪速感測器的垃圾資訊而自顧自地固定發出約每秒4~5次的釋壓命令,不釋壓時的煞車大小則完全交給飛行員的踏板行程決定,不再過問。釋壓命令頻率的律定係來自於保證不煞爆和減速效果兩者妥協的結果。這種煞車減速的過程會讓機身震動變大且煞車的效果降低,然而卻換取了飛機可控制及保障不煞爆的代價,我們也叫它作震盪模式”(pulsating mode)
看完了戰機豪華而複雜的防滑控制功能後,我們可以感受到飛機設計者除了讓飛機飛得快飛得好外,對飛機在地面時的安全關注也等量齊觀。而747之類的廣體客機要操作好幾大排的複輪,其防滑控制的複雜程度比諸戰機可更是有過之而無不及!!

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